陕西省靖边县沙地水分与植被建设

罗小庆，赵景波，2

（1.陕西师范大学 旅游与环境学院，陕西 西安710062；2.中国科学院 地球环境研究所 黄土与第四纪地质国家重点实验室，陕西 西安710075）

土壤水是指由地面向下至地下水面以上土壤层中的水分，亦称土壤中非饱和带水分。我国自20世纪50年代以来，围绕着农业发展和生态建设对黄土高原土壤水分进行了大量研究［1－5］。关于沙漠地区沙层含水量，前人也做了许多研究，在国内研究地区包括腾格里沙漠、古尔班通古特沙漠、乌兰布和沙漠及毛乌素沙地的部分地区［6－11］。现已认识到，沙漠地区2m以上沙层含水量一般可划分为3层，第1层深度一般小于20cm，为含水量很低的干沙层［6－9］。第2层位于20—100cm深度之间，是含水量易于变化的活跃层，为湿沙层的上部。第3层位于100cm左右深度之下，是含水量较高、变化较小的稳定层［5］，为湿沙层的中下部。研究［6－9］得出，沙漠地区沙层中的含水量一般都很低，干沙层中含水量通常不足1%，而湿沙层含水量一般在2%～5%之间［6］，沙层中一般都是薄膜水。虽然过去对我国沙漠区沙层含水量进行了许多研究，但对2m以下深层剖面水分的研究很少，对靖边沙地深层水分的系统研究则更少。国外对土壤含水量和动态变化做了大量研究，研究的重点是土壤水的运移规律、植物蒸腾和气候变化对土壤水的影响［12－15］，并侧重于建立数学模 型。Koster［12］研究认为不同地区土壤湿度与降水存在不同的定量关系，土质差异是主导因素之一。Bartalis［13］通过卫星观测和典型土壤水分数据分析，认为据此可以准确预报10a内全球范围的土壤水分的变化序列。Holsten等［14］通过模拟实验研究了气候变化对土壤水动态影响，认为到21世纪中期气候暖干化将使美国勃兰登堡地区可利用土壤水减少4%～15%。Seneviratne等［15］研究了气候变化与土壤水分的相互作用，指出土壤水分是反映气候系统变化的钥匙，土壤水对气候有多方面的指示作用。

我国的沙地水分研究中，存在的主要问题是对沙地含水量能否满足人工灌木林生长的需要认识不清，对沙层薄膜水的含量类型缺少划分，关于沙层水分对地下水的补给认识不明确。沙层水分的研究对揭示沙层的剖面分布和沙层水分的科学利用和改善干旱地区的生态环境有着极为重要的意义。本研究根据位于毛乌素沙地南部的陕西靖边沙地较深钻孔采样和含水量测定，分析该地区沙层水含量、水分存在形式和水循环等问题，为该区沙地水资源利用和植被建设提供科学依据。

1 采样点概况及研究方法

研究区位于靖边县城北20km处的海则滩乡，该乡西与内蒙古自治区接壤，为毛乌素沙地组成部分。采样点所在的靖边县年平均气温7.8℃，年平均降水量为395mm，无霜期120d左右［16］。采样点的植被有草地和人工灌木林地两种，人工灌木树种为沙柳和柠条。为揭示沙地含水量空间差异和植被不同对沙地水分的影响，于7月中旬分别在草地和灌木林采集了8个5m深度剖面的含水量样品。8个草地和8个灌木地剖面均在沙丘中部。沙丘长度为20～30m，沙丘高差为5～10m。利用轻便人力钻采集样品，采样间距为10cm。含水量测定采用烘干法。

2 沙地含水量测定结果

2.1 草地含水量测定结果

沙层剖面水分一般可分为3层［5］，由于采样期间受降小雨的影响，沙层剖面上部20cm厚度的干沙层不明显，所以根据含水量变化，将剖面水分分为2层。因为草地剖面一般在200cm深度水分含量明显增加，所以将200cm深度作为草地沙层剖面水分分层的深度。灌木林地一般在300cm深处含水量明显增多，将灌木林地剖面300cm深度作为分层的深度。

由含水量测定结果（图1）得知，位于第1个沙丘中部的剖面1沙层含水量变化在1.4%～4.2%之间，平均值为2.6%。据沙层含水量在垂向上的变化，可将其分为2层。第1层位于0—200cm，含水量变化在1.4%～2.7%之间，平均为1.9%。第2层位于200—500cm，含水量变化在2.3%～4.2%之间，平均为3.2%。位于第2个沙丘中部的剖面2土壤含水量变化在1.5%～5.2%之间，平均值为3.6%。据含水量在垂向上的变化，也可分为2层。第1层位于0—200cm之间，含水量变化在1.7%～5.2%之间，平均为3.0%。第2层在200—500cm之间，含水量变化在1.5%～5.0%之间，平均值为4.2%。剖面2位于较大沙丘中部，这是其含水量比位于较小沙丘中部的剖面1含水量高出0.8%的原因。

图1 靖边县海则滩乡草地沙层含水量

由含水量测定结果得知（图1），位于第3个沙丘中部的剖面3含水量变化在2.6%～5.7%之间，平均为3.8%。据沙层含水量在垂向上的变化，可将其分为2层。第1层位于0—200cm之间，含水量变化在2.6%～5.7%之间，平均为3.5%。第2层位于200—500cm之间，含水量变化在2.9%～4.6%之间，平均为4.0%。位于第4个沙丘中部的剖面4沙层含水量（图1）变化趋势与剖面3基本相同，含水量变化在2.2%～6.0%之间，平均值为3.6%。据沙层含水量在垂向上的变化，也可分为2层。第1层在0—200cm之间，含水量变化在3.1%～6.0%之间，平均为3.4%。第2层在200—500cm之间，含水量较低，变化在2.2%～4.3%之间，平均为3.7%。

由含水量测定结果得知（图1），位于第5个沙丘中部的剖面5沙层含水量变化在1.0%～4.8%之间，平均值为2.3%。据含水量在垂向上的变化，可将其分为2个层次。第1层位于0—200cm之间，含水量变化在1.0%～2.7%之间，平均为1.8%。第2层位于200—500cm之间，含水量变化在1.2%～4.8%之间，平均为3.5%。

位于第6个沙丘中部的剖面6沙层含水量变化在2.4%～5.4%之间，平均为3.9%。据沙层含水量在垂向上的变化，可分为2层。第1层在0—200cm之间，含水量变化在2.4%～4.2%之间，平均为3.4%。第2层在200—500cm之间，含水量变化在3.2%～5.4%之间，平均为4.3%。剖面6比剖面5含水量高出1.6%。位于第7和第8个沙丘中部的剖面7和剖面8沙层含水量与前述6个剖面类似，从剖面上部向下部含水量增加，整个剖面平均含水量在3.4%～3.6%之间（表1）。

表1 靖边县沙地沙层含水量

2.2 灌丛地含水量测定结果

由含水量测定结果得知（图2），位于第1个灌木沙丘中部的剖面1沙层含水量变化在0.8%～2.6%之间，平均值为1.5%。据沙层含水量在垂向上的变化，可将其分为2层。第1层位于0—300cm之间，含水量变化在0.8%～2.2%之间，平均为1.4%。第2层位于300—500cm之间，含水量变化在1.2%～2.6%之间，平均为2.2%。位于第2个灌木沙丘中部的剖面2沙层含水量（图2）变化趋势与剖面1基本相同，含水量变化在1.1%～2.8%之间，平均为1.6%。据沙层含水量在垂向上的变化，可分为2层。第1层在0—300cm之间，含水量变化在1.1%～1.7%之间，平均为1.4%。第2层在300—500cm之间，含水量变化在1.4%～2.9%之间，平均为2.1%。剖面2含水量比剖面1高出约0.1%。由含水量测定结果得知，位于第3个灌木沙丘中部的剖面3沙层含水量（图2）变化在0.8%～2.4%之间，平均值为1.4%。据沙层含水量在垂向上的变化，可将其分为2层。第1层在0—300cm之间，含水量变化在0.8%～1.8%之间，平均为1.2%。第2层在300—500cm之间，含水量变化在1.3%～2.4%之间，平均值为1.7%。位于第4个灌木沙丘中部的剖面4沙层含水量（图2）变化趋势与剖面3基本相同，含水量变化在0.7%～2.3%之间，平均值为1.4%。据沙层含水量在垂向上的变化，可分为2层。第1层位于0—300cm之间，含水量变化在0.7%～2.0%之间，平均值为1.3%。第2层位于300—500cm之间，含水量增高，变化在1.2%～2.3%之间，平均为1.6%。含水量测定显示，位于第5个灌木沙丘中部的剖面5土壤含水量（图2）变化在0.9%～2.3%之间，平均值为1.5%。据沙层含水量在垂向上的变化，可将其分为2层。第1层在0—300cm之间，含水量变化在0.9%～1.9%之间，平均为1.4%。第2层在300—500cm之间，含水量变化在1.3%～1.9%之间，平均值为1.7%。位于第6个灌木沙丘中部的剖面6沙层含水量变化趋势与剖面5基本相同，含水量变化在0.9%～2.2%之间，平均为1.5%。据沙层含水量在垂向上的变化，可分为2层。第1层在0—300cm之间，含水量变化在0.8%～1.9%之间，平均为1.2%。第2层在300—500cm之间，含水量变化在1.3%～2.2%之间，平均为1.9%。位于第7和第8个灌木沙丘中部的剖面7和剖面8沙层含水量与前述6个灌木沙丘剖面类似，从剖面上部向下部含水量增加，整个剖面平均含水量在1.4%～1.6%之间（表1）。

图2 靖边县海则滩乡沙柳灌木林地沙层含水量

3 结果讨论

3.1 靖边县沙地含水量分层与分布深度

靖边县沙地不论是草地还是灌木地，都可以分为2层，草地第1层和第2层的分界深度在200cm左右，灌木沙地第1层和第2层的分界深度为300cm左右。在草地和灌木地剖面2个层次中，都是上部层段含水量较低，下部层段含水量较高。过去的研究［6］认为，沙漠区沙层水分一般可分为3层，第1层为厚度小于20cm含水量很低的干沙层，第2层为深度在20—100cm之间的含水量易于变化的活跃层，第3层为100cm左右深度之下含水量较高、变化较小的稳定层［6］。靖边县沙地含水量测定结果表明，采样剖面顶部没有干沙层出现，这是由于采样前曾出现降雨造成的。在非降雨时期，该区干沙层也是存在的［10］。该区含水量易于变化的活跃层分布深度在200～300 cm之间，比通常认识的要大1～2m，这是该区降水量较多造成的。一般沙漠区年平均降水量在150mm以下［17］，甚至不足100mm，而靖边沙地区年平均降水量接近400mm［18］，所以水分活跃层分布深度较大。由此可以得出，在年均降水量为400mm左右的沙地区，沙层水分活跃层分布深度在2～3m之间。

3.2 植被对沙层含水量的影响和适于生长的植被

由图3可以看出，靖边县草地与灌木地含水量的垂直变化基本相同，从上往下含水量总体呈现升高的变化趋势，但草地含水量要比沙柳地高。草本沙地含水量变化范围为1.0%～6.0%，平均为3.3%；灌木沙地含水量变化范围为0.7%～2.8%，平均为1.5%。沙草地含水量比灌木沙地含水量高1.8%。由于草地植被根系分布深度小，叶片面积小，蒸腾耗水较少，所以沙层含水量较高。而灌木枝高叶片大，根系深［3］，蒸腾耗水较多，使得灌木沙地含水量较高。

靖边县沙地灌木林沙层含水量低，能否适于灌木林生长是值得讨论的问题。沙层水分适于什么植被生长，要根据沙层有效水含量的多少和凋萎湿度来确定。根据巴丹吉林沙漠和腾格里沙漠沙层水分的研究［6－8，17－18］得知，沙层 水分含 量 一 般 在0.1% ～5%之间，干沙层中的水分含量一般低于0.5%，表明沙地持水量很低，也表明沙层对水分的吸附性很弱，可以认为沙层中含量大于0.5%的水分都是有效水。根据沙层含水量一般较低分析，沙层含水量在3%～5%之间就是含量很高的了，含水量在2%～3%之间也是较高的。靖边草地平均含水量大于3.4%，指示该区沙地水分不但能够满足草原植被生长的需要，而且还有较多剩余。靖边灌木地沙层水分含量平均为1.5%，位于2～5m深度范围之间第2层含水量为2%左右，表明在灌木吸收利用之后还存在1%的有效水。按凋萎湿度为田间持水量的60%计算［19］，田间持水量为5%的靖边沙层凋萎湿度为3%。根据凋萎湿度分析，虽然靖边沙地水分基本能够满足灌木林生长的需要，但水分不够充足。本次采样在雨季刚开始的7月份，是沙层水分含量较低的时期，如果在雨季之后的秋季采样，沙层含水量还会高一些。由此可以确定，该区发展灌木林是适宜的。灌木的防风固沙效果显著大于草本，该区应该大力发展耐旱的沙柳和柠条等为主的灌木林。

图3 靖边县海则滩乡草地与灌木林地沙层含水量对比

3.3 沙层剖面中水分存在形式和对地下水的补给

土壤水存在的主要形式为重力水和薄膜水［2，20］。据过去对许多沙层的研究可知，细砂颗粒为主的沙层的田间持水量为5%左右［6］。细砂层中的含水量大于5%就会有重力水存在，小于5%时一般为薄膜水。靖边县沙地所在的毛乌素沙地，沙层粒度成分和我国其他沙漠区粒度成分类似，但粒度略偏粗［21］，该区沙层含水量高于5%的水分无疑是重力水。靖边县沙地12个钻孔的一般含水量都小于5%，少数层段含水量在5%～6%之间，表明该区沙层水一般为薄膜水，个别层段为重力水。在极端干旱的沙漠区，重力水非常少，但在降水偏多的古尔班通古特沙漠、乌兰布和沙漠区的沙层中可见含水量高于5%的重力水出现［7，8］。靖边县沙地区年均降水量接近400mm，是降水较多的沙地区，应该含有少部分重力水。我们采样在雨季刚开始的7月中旬，是沙层水分含量较少的时期，这是其重力水较少的重要原因。

虽然靖边沙地区沙层中重力水出现很少，但薄膜水的含量较高，有高含量薄膜水出现，指示沙层水分含量较高。黄土高原的研究［20，23－24］表明，高含量薄膜水的水膜压力是该区黄土中水分向下运移的动力。黄土高原现代和过去的大气降水主要是以薄膜水的形式通过入渗补给地下水的［20，23－24］。黄土中薄膜水的研究［20，22］显示，含量很低的薄膜水运移非常缓慢，而高含量薄膜水运移较快，它的运移不受重力作用影响，而是受水膜厚度的影响，即从水膜厚处向水膜薄处运移。薄膜水含量越高，水膜厚度越大，与下部层位薄膜水的水膜厚度差越大，薄膜水的运移越快，运移快的薄膜水每年运移距离可达2m以上。

通过对薄膜水含量的分析，我们将薄膜水的含量分为5个等级，即高含量薄膜水、较高含量薄膜水、中等含量薄膜水、低含量薄膜水和极低含量薄膜水（表2），它们对地下水的补给强弱也有很大不同（表2）。表2显示，薄膜水含量在5%～4%之间为高含量薄膜水，对地下水补给强。薄膜水含量在3.9%～3%之间为较高含量薄膜水，对地下水补给较强。薄膜水含量在2.9%～2%之间为中等含量薄膜水，对地下水补给中等。薄膜水含量在1.9%～1%之间为低含量薄膜水，对地下水补给弱。薄膜水含量小于1%为极低含量薄膜水，对地下水补给极弱或无补给。

表2 包气带沙层薄膜水含量等级与运移动力划分

从靖边草地沙层薄膜水平均含量剖面变化（图4）可以确定，该区夏季7月草地沙层主要为高含量薄膜水和较高含量薄膜水（图4），对地下水的补给较强；灌木地沙层主要为低含量薄膜水和少数中等含量薄膜水，对地下水的补给较弱。如果在雨季之后，草地和灌木地沙层水分的含量等级与补给强度还会增加。

3.4 靖边沙地水分平衡

土壤水分平衡的构成包括输入量、储存量和输出量［2，20］。当输出量大于输入量时为正平衡，反之为负平衡。水分平衡的研究对揭示沙漠区地下水来源和水分运移具有特别重要的作用。由于沙地区降水较少，蒸发量很高，所以一般会认为接近干旱的毛乌素沙地是水分负平衡的地区。然而研究显示，靖边县沙地区为水分的正平衡。一是靖边县草地沙层剖面中存在部分含水量大于5%的重力水，表明大气降水经过蒸发与蒸腾之后，还有较多的剩余水分渗入沙层中（图1）。二是草地和灌木地沙层剖面含水量均呈现从上向下由低到高的变化趋势（图1—2），而且剖面下部沙层水分含量较高，指示大气降水已经通过沙层入渗到了沙层剖面5m深度之下。在黄土高原地区，人工林分布区年降水量要略多于600mm土壤水分才能达到正平衡［2］。靖边县沙地区年平均降水量为396mm就达到了正平衡，这与沙层入渗率很大有关。据研究［24－25］，沙层入渗率是黄土入渗率的10倍左右。很高的沙层入渗率加快了大气降水的入渗，增强了大气降水向地下水的转化，使得蒸发与蒸腾量大幅度减少。另外，沙层粒度较粗，毛管孔隙不发育，使得沙层水分受蒸发影响的深度一般小于0.5m［6，18］，显著小于黄土受蒸发影响到2m的深度，也减少了蒸发作用对沙层水分的消耗，促进了水分正平衡的形成。

图4 靖边沙地薄膜水含量分级

4 结论

（1）靖边沙地500cm深度范围内沙层剖面含水量的变化特点是草地0—200m和灌木地0—300cm含水量较低，草地200—500cm和灌木地300—500 cm含水量较高；草地沙层含水量明显高于灌木林地，草地含水量变化范围为1.0%～6.0%，平均为3.4%；灌木地含水量变化范围为0.7%～2.8%，平均为1.5%。

（2）草地沙层200cm以下有含量大于3%的高含量薄膜水和部分含量大于5%的重力水存在，显示大气降水对地下水的补给明显。灌木林地沙层中一般缺少重力水，高含量薄膜水也较少，指示灌木林地降水对地下水补给较弱。

（3）靖边沙地水分为正平衡，其原因除了降水较多之外，沙层入渗率高和蒸发与蒸腾消耗较少也是重要原因。

（4）由于靖边县沙地区年均降水量偏多，沙地水分活跃层分布深度在200—300cm之间，比极端干旱的沙漠区水分活跃层分布深度大100～200cm。

（5）靖边县沙层水分含量的剖面变化表明，该区沙层水分能够满足耐旱灌木林生长的需要，适于发展防风固沙效果好的灌木林。

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